方芹， 宋世圣， 周婷， 彭才望， 孫松林， 朱海英

（湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，長沙 410128）

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化發(fā)展進程加快，城市人口日益增多，餐廚垃圾的數(shù)量也快速增長，人均產(chǎn)量為0.10～0.30 kg·d-1[1]。餐廚垃圾的大量堆積不僅影響生態(tài)環(huán)境，而且危害人類身體健康，因此餐廚垃圾的資源化利用成為亟需解決的難題[2]。目前，餐廚垃圾的處理技術主要有焚燒、填埋、好氧堆肥、厭氧消化等，這些處理方法都存在不足，影響餐廚垃圾的高效利用[3]。研究表明，與其他垃圾相比，餐廚垃圾含有水分和有機物，油脂含量高，具有較高的生物轉化利用價值，利用黑水虻幼蟲對餐廚垃圾進行生物轉化，可以有效降低餐廚垃圾積累和污染，產(chǎn)生可觀的生物量收益和環(huán)境效益[4]。黑水虻幼蟲生物轉化餐廚垃圾后得到的黑水虻幼蟲和有機肥統(tǒng)稱為黑水虻蟲沙[5]，黑水虻幼蟲可被制作成高蛋白飼料，和有機肥一樣作為商品出售[6]。國內(nèi)運用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾的研究和應用逐漸增加[7]，并展示出了良好的應用前景，然而關于黑水虻幼蟲養(yǎng)殖過程中所需的布料、取料、運輸、篩分等機械設備研究比較少。因此，設計出一種高效、穩(wěn)定的黑水虻蟲沙分離裝置對黑水虻幼蟲的規(guī)?；B(yǎng)殖至關重要。研究表明，滾筒篩在物料的分離和清選作業(yè)中運用廣泛，其具有傳動平穩(wěn)、結構簡單等優(yōu)點[8]。張林海等[9]為去除農(nóng)作物秸稈固體成型物料中的雜質，設計了一種滾筒篩分雜質系統(tǒng)，并確定了該裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，可為雜質減量化及雜質去除研究提供數(shù)據(jù)參考；石鑫等[10]設計了一種滾筒篩式廢舊地膜與雜質風選裝置，通過正交試驗確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合，提高了廢舊地膜的利用率；李心平等[11]通過對谷子初脫后物料在清選過程中的力學特性分析，設計了一種輥搓圓筒篩式谷子清選裝置，該裝置降低了籽粒含雜率和清選裝置總損失率；彭強吉等[12]以現(xiàn)有氣力式圓筒篩膜雜分離機為基礎，通過增設運移裝置、重置圓筒篩篩孔排布，提高了氣力式圓筒篩膜雜分離機篩分性能的穩(wěn)定性；王升升等[13]設計了一種大白菜種子收獲分離清選裝置，并研究了圓筒篩轉速、螺旋轉速以及橫流風機轉速對大白菜種子清選性能的影響，并確定了該分離清選裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，降低了大白菜種子的含雜率和損失率，并且符合行業(yè)相關要求。上述篩分裝置作業(yè)對象的物理特性和生物特性都與黑水虻蟲沙差異較大，難以運用于黑水虻蟲沙分離。因此，設計一種適用于黑水虻蟲沙分離的裝置對餐廚垃圾的資源化處理至關重要。

針對黑水虻蟲沙分離難的問題，本文設計了一種兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置，滾筒篩分具有結構簡單、傳動平穩(wěn)的優(yōu)點，兩級滾筒篩的篩分效率高，且能夠有效降低含雜率和損失率。確定了其關鍵部件的結構和參數(shù)，并以含雜率和損失率作為評價指標，通過單因素試驗與響應面試驗確定各因素對評價指標的影響規(guī)律，確定了最優(yōu)工作參數(shù)組合，以期為黑水虻蟲沙篩分設備的設計與作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 篩分裝置結構與工作原理

兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置主要由分離滾筒、調速電機、傳動系統(tǒng)、進料口、出料口等組成，如圖1所示。該裝置的動力來源于調速電機（晟邦調速電機，220 V），動力通過鏈傳動傳遞至滾筒軸，帶動滾筒轉動。滾筒轉速由UT373非接觸轉速計（測量范圍10～99 999 r·min-1，精度0.1 r·min-1）測量，滾筒傾角由三量數(shù)顯傾角儀（測量范圍0°～90°，精度0.05°）測量。

圖1 兩級分段式黑水虻蟲沙分離滾筒篩結構Fig.1 Structure of two-stage segmented black soldier fly insect sand separation drum screen

該裝置工作時，待分離的黑水虻蟲沙混合物（黑水虻幼蟲、有機肥和雜質）由傳送帶輸送至進料口，運動至一級篩網(wǎng)，細小均勻的有機肥顆粒透過一級篩網(wǎng)的篩孔，脫離篩面，篩面上剩余的黑水虻幼蟲和雜質混合物運送至二級篩網(wǎng)，雜質透過二級篩網(wǎng)的篩孔落下，最后篩面上的黑水虻幼蟲從出料口出料，完成篩分。整機工作時，動力來源于調速電機，通過鏈傳動帶動滾筒篩運動，傳送帶可以保證滾筒篩進料口的黑水虻蟲沙均勻通過，兩級滾筒上的篩孔直徑由小變大，可以保證黑水虻蟲沙分離的效果。

1.2 滾筒篩設計

篩孔大小是影響滾筒篩分離效果的關鍵參數(shù)。運用TRIZ理論解決由篩孔大小引發(fā)的物理矛盾沖突[16]，通過篩孔直徑的遞增，實現(xiàn)黑水虻蟲沙混合物在滾筒運動過程中逐步被篩分。

滾筒篩的篩孔采用交錯式等三角形排布的圓孔[17]。根據(jù)有機肥和雜質的尺寸范圍在1～6 mm，確定一級篩網(wǎng)的篩孔直徑為4 mm，二級篩網(wǎng)的篩孔直徑為6 mm，沿篩分方向排布。為保證篩分效果，結合篩孔大小，第1段滾筒的每列與每行相鄰篩孔中心距離J取6 mm，第2段滾筒的每列與每行相鄰篩孔中心距K為9 mm。滾筒篩采用厚度1.5 mm的鋼板彎曲成型，篩孔采用激光切割成型，篩孔分布如圖2所示。

圖2 篩孔分布Fig.2 Expanded view of sieve holes

綜合考慮整機尺寸和篩分效率，參考農(nóng)業(yè)機械設計手冊[18]，初步評估滾筒直徑D為500 mm，根據(jù)公式L=(3～5)D，取L=1 500 mm，一級篩網(wǎng)L1=1 000 mm，二級篩網(wǎng)L2=500 mm。

1.3 運動分析

物料的篩分在篩面上的運動過程中進行，物料在篩面上的運動形式?jīng)Q定了篩分裝置的最佳篩分效果。滾筒篩工作時，滾筒繞其軸線做旋轉運動，忽略物料與物料之間的相互作用，以黑水虻蟲沙混合物中顆粒作為研究對象，分析其在自身重力G、摩擦力f、離心力F、壓力N的共同作用下隨滾筒篩運動的受力，如圖3所示。

圖3 黑水虻蟲沙顆粒受力及運動軌跡Fig.3 Force and movement trajectory of black solider fly insect sand particle

以Q點為原點重新建立平面坐標系，黑水虻蟲沙顆粒到達Q點時脫離篩面做拋物運動，此時混合物料自身重力G的法向分力與離心力F相等，計算公式[19]如下。

式中，m為黑水虻蟲沙顆粒質量，kg；R為滾筒篩半徑，mm；g為重力加速度，9.8 m·s-2；v為切向速度，m·s-1；θ為脫離角，（°）。

n 為滾筒轉速，r·min-1。當 θ=90°時，黑水虻蟲沙顆粒運動到M點，此時的滾筒轉速等于滾筒臨界轉速。將R=250 mm帶入(2)式中，得到滾筒的臨界轉速n0=59.82 r·min-1。

黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的周期運動可以分為圓周運動和拋物線運動。第1階段是黑水虻蟲沙顆粒從P到Q做圓周運動，第2階段是黑水虻蟲沙顆粒從Q到P做拋物線運動，其運動軌跡方程分別為式（3）和式（4）。

x，y為顆粒的橫、縱標，聯(lián)立式(3)、式(4)可以計算出2個方程的交點，分別為黑水虻蟲沙顆粒離 篩 點（0，0）、顆 粒 和 篩 面 的 碰 撞 點（4Rsin2θcos θ，-4Rcos2θsin θ）。黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的翻動程度最大時，則|yP-yQ|取最大值。令dy=0，可得x=Rsin2θcos θ，將 x值帶入式(4)可得式（5）。

由于滾筒是傾斜放置的，黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的運動軌跡近似螺旋線，如圖4所示。

圖4 黑水虻蟲沙混合物空間運動軌跡Fig.4 Space movement trajectory of black solider fly insect sand mixture

滾筒存在傾角φ，黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)連續(xù)運動時，其相鄰2次的落點不在同一位置，而是沿滾筒軸線方向相隔一定距離，相隔距離的大小與滾筒的直徑、轉速和傾角有關，并假設顆粒在滾筒中運動時不發(fā)生軸向滑動（圖5），則相鄰2次落點間沿滾筒軸向方向的距離S計算如下。

圖5 滾筒篩物料運動軌跡Fig.5 Trajectory of the material movement of the trommel

黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)的運動時間等于圓周運動階段的物料運動時間（T1）與拋物線運動時間（T2）之和，其計算公式[20]如下。

式中，ω為顆粒在滾筒內(nèi)的角速度，rad·s-1。由此可得物料在滾筒內(nèi)沿軸線方向的速度V。

由式(5)～（8）可得，黑水虻蟲沙顆粒在滾筒內(nèi)運動時與滾筒篩傾角φ、滾筒的轉速n、滾筒半徑R有關。

1.4 試驗材料

篩分試驗所用物料為黑水虻蟲沙混合物，取自湖南農(nóng)業(yè)大學耘園黑水虻基地。試驗前人工分選混合物料中各成分占比，得到黑水虻幼蟲、有機肥、雜質所占總物料的百分比為50%、45%、5%。

首先，采用WGLL-230BE電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）和LE104E/02電子天平（上海梅特勒-托利多儀器有限公司，分度值0.1 mg）測量黑水虻蟲沙混合物的濕重和干重，計算含水率為30.2%。

1.5 單因素試驗

1.5.1 單因素設計方案 為確定響應面試驗的各因素水平范圍，對滾筒轉速、滾筒傾角、喂入量3個因素進行不同水平的單因素試驗。每組試驗重復3次，取平均值。在固定滾筒傾角為7°、喂入量為1.5 t·h-1的工況下，滾筒轉速分別設置為20、30、40、50、60 r·min-1；在固定滾筒轉速為40 r·min-1、喂入量為1.5 t·h-1的工況下，滾筒傾角分別設置為5°、6°、7°、8°、9°；喂入量的選擇與滾筒長度、滾筒轉速、滾筒傾角以及滾筒直徑有關[21]，在固定滾筒轉速為 40 r·min-1、滾筒傾角為 7°的工況下，喂入量分別設置為1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 t·h-1。

1.5.2 單因素試驗結果評價 為得到滾筒篩最佳的篩分效果與裝置工作參數(shù)之間的關系，以滾筒轉速、滾筒傾角以及喂入量作為試驗因素，以含雜率和損失率為評價指標，確定影響黑水虻蟲沙混合物分離效果的主次因素，通過單因素試驗確定各因素水平范圍，通過響應面試驗確定各因素最優(yōu)參數(shù)組合，并且對最優(yōu)參數(shù)進行試驗驗證。

式中，Y1為含雜率，%；Y2為損失率，%；m0為出料口的物料總質量，kg；m1為出料口的物料中黑水虻幼蟲質量，kg；m2為篩下物中黑水虻幼蟲質量，kg。

1.6 優(yōu)化試驗

利用Design-Expert10.0.7軟件進行三因素三水平組合試驗與分析[22]。選取滾筒轉速、滾筒傾角、喂入量為試驗因素，以含雜率、損失率為試驗響應指標。根據(jù)滾筒轉速、滾筒傾角、喂入量的單因素試驗結果，試驗因素組合編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Table 1 Coding of test factors

2 結果與分析

2.1 單因素對黑水虻蟲沙分離的影響

2.1.1 滾筒轉速對黑水虻蟲沙分離的影響 由圖6可知，隨著滾筒轉速的增加，含雜率呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，損失率則呈現(xiàn)上升的趨勢。原因是當滾筒轉速＜50 r·min-1時，隨著滾筒轉速的增加，單位時間內(nèi)滾筒篩分面積增大，有機肥顆粒和雜質透篩概率增大，含雜率逐漸減??；當滾筒轉速＞50 r·min-1時，有機肥顆粒和雜質與滾筒篩接觸不充分，透篩概率減小，含雜率逐漸增大。隨著滾筒轉速增大，黑水虻幼蟲受到的離心力增大，當黑水虻幼蟲運動到二級篩網(wǎng)時，部分小比例長度的黑水虻幼蟲透篩率增大，導致?lián)p失率逐漸增大。

圖6 不同滾筒轉速下黑水虻蟲沙分離效果Fig.6 Effect of drum speed on the separation of black water fly insect sand

2.1.2 滾筒傾角對黑水虻蟲沙分離的影響 由圖7可知，隨著滾筒傾角的增加，含雜率呈現(xiàn)上升的趨勢，損失率呈現(xiàn)下降的趨勢。原因是隨著滾筒傾角的增加，物料軸向運動速度增快，有機肥顆粒和雜質透過篩孔的概率減小，導致出料口的有機肥和雜質增多，含雜率逐漸增大。此時，隨著滾筒傾角的增加，黑水虻的下滑力增大，與二級篩網(wǎng)的接觸時間明顯縮短，黑水虻幼蟲的透篩概率減小，損失率逐漸減小。

圖7 滾筒傾角對黑水虻蟲沙分離效果的影響Fig.7 Effect of the drum inclination angle on the separation of black water fly insect sand

2.1.3 喂入量對黑水虻蟲沙分離效果的影響 由圖8可知，隨著喂入量的增加，含雜率呈現(xiàn)上升的趨勢，損失率呈現(xiàn)下降的趨勢。原因是隨著喂入量的增加，物料與滾筒篩篩網(wǎng)的接觸面積減少，有機肥和雜質的透篩概率減小，導致含雜率逐漸增大。此時，隨著喂入量的增大，黑水虻幼蟲與篩網(wǎng)的接觸面積減少，黑水虻幼蟲的透篩概率減小，導致?lián)p失率逐漸減小。

圖8 喂入量對黑水虻蟲沙分離效果的影響Fig.8 Effect of feeding amount on the separation of black water fly insect sand

2.2 三因素三水平試驗結果分析

2.2.1 試驗方案與結果分析 三因素三水平試驗結果如表2所示，在不同試驗因素水平值條件下，評價指標中含雜率的變化范圍為0.95%～2.40%，損失率的變化范圍為8.43%～19.05%。

表2 試驗方案與結果Table 2 Experiment design and response values

2.2.2 回歸方程建立和顯著性分析 采用Design-Expert10.0.7軟件對含雜率、損失率進行回歸擬合分析[23]，建立含雜率Y1、損失率Y2的回歸方程。

對影響試驗指標的3個因素進行顯著性檢驗與分析，最終獲得顯著性試驗因素與評價指標的二次多項式響應面回歸模型，模型顯著性分析結果如表3和4所示。

由表3和4可知，含雜率和損失率的響應面模型的P值均小于0.01，表明回歸模型極顯著；失擬項分別為0.267 7和0.122 6，均大于0.05，表明失擬不顯著，該回歸模型擬合的二次回歸方程與實際試驗結果相符合，表明滾筒轉速、滾筒傾角、喂入量對含雜率Y1與損失率Y2都有顯著影響。試驗因素對含雜率的影響從大到小為喂入量、滾筒轉速、滾筒傾角，對損失率的影響從大到小為滾筒轉速、喂入量、滾筒傾角。含雜率回歸模型的P＜0.05，損失率回歸模型的P＜0.05，表明3個回歸項在回歸模型中交互影響顯著；兩模型的決定系數(shù)R2與校正決定系數(shù)均接近于1，變異系數(shù)與精密度分別為4.67%、4.77%和24.605、22.699，說明該含雜率與損失率擬合回歸模型具有較高的可靠性。

表3 含雜率模型顯著性檢驗結果Table 3 Significance test result of impurity rate model

表4 損失率模型顯著性檢驗結果Table 4 Significance test result of loss rate model

2.2.3 響應面分析 根據(jù)回歸模型分析的結果，利用Design-Expert10.0.7軟件繪制各元素交互效應3D響應曲面，如圖9所示。當喂入量為1.2 t·h-1，隨著滾筒傾角的增大，含雜率逐漸降低；當喂入量為1.8 t·h-1，隨著滾筒傾角的增大，含雜率逐漸增大，表明喂入量對含雜率的影響比滾筒傾角更大，這是因為喂入量增大時，物料與滾筒篩篩網(wǎng)的接觸面積減少，有機肥和雜質的透篩概率減小，導致含雜率逐漸增大。當滾筒傾角由5°增大至7°時，損失率隨著滾筒轉速的增大而增大，由于滾筒轉速增大，黑水虻幼蟲受到的離心力增大，當黑水虻幼蟲運動到篩孔直徑增大的二級篩網(wǎng)時，部分小比例長度的黑水虻幼蟲透篩率增大，導致?lián)p失率逐漸增大。當滾筒轉速由30增大至50 r·min-1時，損失率隨著喂入量的增大而增大，表明滾筒轉速對損失率的影響較喂入量對損失率的影響大。

圖9 各因素對分離性能影響的響應曲面Fig.9 Response surface of the influence of various factors on separation performance

2.3 優(yōu)化驗證結果分析

對經(jīng)過軟件優(yōu)化求解的最優(yōu)參數(shù)組合進行驗證試驗，根據(jù)含雜率和損失率的回歸模型，運用Design-Expert10.0.7軟件，以含雜率和損失率最小為條件，求解回歸模型得到的最佳參數(shù)分別為：滾筒轉速 30 r·min-1、滾筒傾角 7°、喂入量 1.6 t·h-1。黑水虻蟲沙分離裝置的驗證結果如表5所示，含雜率平均值為1.165%，損失率平均值為8.877%。優(yōu)化參數(shù)的驗證結果與預測結果的誤差在允許范圍內(nèi)，表明預測的結果具有可靠性。

表5 驗證結果Tab.5 Verification result

3 討論

目前，國內(nèi)學者對黑水虻蟲沙的機械分離研究較少，本文研制出一種兩級分段式黑水虻蟲沙滾筒篩分裝置，以滾筒轉速、滾筒傾角、喂入量為試驗因素，損失率和含雜率為評價指標，進行滾筒篩分試驗，得到最優(yōu)參數(shù)組合方案：滾筒轉速為30 r·min-1，滾筒傾角為7°，喂入量為 1.6 t·h-1。驗證結果表明，該機在最優(yōu)參數(shù)下的平均含雜率為1.165%，平均損失率為8.877%。對比人工分離黑水虻蟲沙的效果，該裝置的分離速度快，含雜率和損失率均處于較低水平，證明此裝置滿足分離要求。

本文設計的裝置在不增加整機復雜性的基礎上實現(xiàn)了黑水虻蟲沙混合物的逐步篩分，該裝置可實現(xiàn)黑水虻幼蟲、有機肥有效分離，為黑水虻蟲沙的二次利用創(chuàng)造了便利條件，也為黑水虻幼蟲生物轉化餐廚垃圾的規(guī)?；a(chǎn)提供了條件。

同時，本研究的滾筒篩是黑水虻幼蟲機械養(yǎng)殖中篩分環(huán)節(jié)的關鍵裝置，黑水虻幼蟲機械養(yǎng)殖的環(huán)節(jié)包括布料、取料、轉移、運輸與篩分，之后的研究應該注意黑水虻蟲沙的篩分與取料、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)之間的匹配問題，包括滾筒篩的喂入量與傳送帶速度之間的匹配等。